摘要：本文结合某用户催化裂化装置主风机、备用风机两套机组异步电动机采用变频软启动装置的配置情况，分析了变频软启动装置在目前催化裂化装置主风机、备用风机启动中的技术方案、性能参数及应用特点，使读者对于催化裂化装置主风机、备用风机的软启动问题有了一定的了解。
关键词：催化裂化装置；主风机；备用风机；电动机；变频软启动
一、引言
在我国国民经济和科技现代化的持续快速发展的时代背景下，各个行业尤其如石油化工领域得到巨大发展，其装置大型化、系列化、设备国产化、规模化的比例不断提高。随着催化裂化装置中主风机、备用风机及其配套电动机等设备的容量的日益增大，针对此类设备的负载特性和运行工况，目前广泛采用一套变频软启动装置驱动主风机、备用风机两套机组的方案，具体方案如下：
二、机组配置方案概述
1. 机组形式
某炼化用户催化裂化项目提供主风机、备用风机各一套，其中主风机组配置方式为：烟气轮机－主压缩机－变速箱－异步电动/发电机。备用风机组配置方式为：备用压缩机－变速箱－异步电动机。主风机组电机功率为25000KW/10KV ,备用风机组电机功率为20000KW/10KV。
2. 机组启动工况
本项目主风机和备用风机两套机组有两种启动工况：一是由变频器驱动备用风机的电机，备用风机组启动后，待烟机达到一定的温度和压力，由烟机带动主风机组启动，在主风机组速度达到一定转速（如85%左右），变频软启动系统投入变频器与烟机一起驱动主风机进入工频同步状态直至并网；二是直接启动主风机或备用风机（带烟机）空载启动。
三、变频软启动装置方案概述
1．变频软启动装置的特点
变频软启动装置可使电动机在启动过程中，通过串接变频器最大限度限制电机的启动电流，减少电网压降，可实现恒转矩及变转矩运行。变频软启动装置能有效降低冲击力矩，保护机械设备；可维持启动过程中启动电流值不变，启动力矩增加，缩短了电机的启动时间。但变频软启动装置运行中会产生一定的谐波污染，PWM调制导致了较高的du/dt，以及高频电压分量将一定程度损坏电机绝缘，高次谐波会引起电机发热，影响到电机的使用寿命；大容量变频装置主要为进口或合资品牌，其价格昂贵，一次投资与维修成本较高。
2．变频软启动装置的容量选型
本项目主备风机两套机组由于备机启动功率远小于主风机组，故选择变频装置的功率以主风机组为准，根据主风机组（带风机+烟机）启动转矩等参数来确定变频器的功率。
根据本项目中的两种启动工况，启动功率计算如下：
工况一:变频器带动备用风机启动
按正常启动时间 300 秒计算包含加速力矩后的电机最大瞬态功率约为8520kW，按启动时电机功率因数0.9，电机效率97.4%计算，输入容量为 8520/(0.9 *0.974）/1.25=7775kVA。
所以变频器容量选型≥7775kVA，过载能力 125%/60s 即可。
工况二:变频器直接带动主风机启动
考虑主风机机组启动时开度较大，负荷较重，启动时间按500秒计算包含加速力矩后的电机最大瞬态功率约为14000kW，按启动时电机功率因数0.92，电机效率 97.7%计算，输入容量为 14000/(0.92*0.977)/1.25=12460kVA。
所以变频器容量选型≥12460kVA，过载能力 125%/60s 即可。
根据目前启动负载条件和参考以往工程经验，本项目变频软启动装置的额定容量为12,500kVA，其输入电压10kV，输出电压0-10kVAC，过载能力125%/60s，短时过载功率15,625kvA(1min/10min)可以满足主风机（带烟机）机组软启动的要求。
3．变频软启动装置的性能参数
1）变频软启动装置结构：
54脉冲二极管整流，19电平IGBT-PWM逆变，电压源型，保护等级IP30；
一体式输入隔离变压器，额定容量12500KVA，额定电流730A；
功率单元模块化设计，所有单元可以互换，更换单元不须专用工具；
逆变器侧采用高开关频率的IGBT器件，保证良好的输出波形；
整个变频系统采用空冷，方便用户维护；
可以快速通过机组临界转速；
2）变频软启动装置性能：
10kV±10% 输入，0-10kV高压输出；
输出相电压为19电平，线电压为37电平，无需滤波器，谐波符合IEEE519-1992标准和GB/T14549-93国家标准；
输入功率因数0.95以上，无需功率因素补偿器；
变频器系统总效率（满载）达到97%；
变频系统输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%；
抗电源干扰能力强，可承受-25%额定电压的下降；
高性能无速度传感器矢量控制，瞬时失电不跳闸运行(满载时300ms)；
频率调节精度±0.1%，加/减速时间0.1-3270 秒；
变频器包含多种保护：功率单元带输入熔断器保护；变频系统有过电压，过电流，欠电压，缺相，过载，过热，输出接地，输出短路，转矩保护，隔离变压器过热保护等功能。
4．变频软启动一次系统方案
图1- 变频软启动一次系统方案图
1）系统组成：
变频一拖二软启动系统组成如图1所示，包括如下主要设备：
一套高压变频软启动装置，其额定功率为12,500kVA/10kV；
3QF，4QF为变频器10kV输入切换开关，13QF，14QF为变频器10KV输出切换开关，7QF,8QF为旁路（工频输入）开关；
M1，M2分别为主备风机组2台10kV高压交流异步电机。
2）启动原理：
以主风机电机启动为例：变频器软启动装置驱动主风机组（带烟机）空载启动完成，即采用启动工况二时，具体启动步骤如下：
闭合变频器输入开关3QF和输出开关13QF，变频器带主机电机开始工作，其输出频率从0Hz逐步升到50Hz，其输出电压对应从0V升到10kV，主风机电机已经开始在额定转速下运行。
在变频器输出50Hz以后，接受并网命令，变频器调整其输出逐步达到输出电压和输入电网电压“同期”（同相位、同幅值、同频率），在系统确认变频器输出电压和电网电压“同期”以后合旁路开关7QF，由于此时电机的频率、相位、幅值和电网一致，合7QF对电机和电网没有任何冲击（切换过程在2秒内自动完成）。这时电机由变频器和电网共同供电，切换过程中电机的负载由变频器转移到电网，最后变频器自动断开13QF，整个电机负载由电网承担，主风机电机启动完毕。
同样的原理变频软启动系统同样可以把备用风机电机完成启动，对应的输入开关4QF和输出开关14QF，旁路开关为8QF。
采用启动工况一时，具体启动步骤如下：
变频软启动装置首先启动备用主风机电机，备用风机组启动后，由烟机带动主风机组到一定转速（如85%左右），变频软启动装置投入变频器启动主风机电机，这时变频器可以自动获取电机速度,然后变频器输出频率从此速度加速到额定速度，这时烟机和主风机组电机一起做功驱动机组。
在变频器输出50Hz以后，接受并网命令，变频器装置调整其输出逐步达到输出电压和输入电网电压“同期”，在系统确认变频器输出电压和电网电压“同期”以后合旁路开关7QF，由于这时电机的频率、相位、幅值和电网一致，合7QF对电机和电网没有任何冲击（切换过程在2秒内自动完成）。切换期间主风机电机由变频器装置和电网共同供电，电机的负载由变频器转移到电网，最后变频器自动断开输出开关13QF，整个电机负载由电网承担，主电机启动完毕。
五、总结
通过对催化裂化装置主备风机组采用变频软启动装置的方案解读，在详细分析了变频软启动装置驱动主风机、备用风机两套机组的方案配置、性能参数及应用特性的情况下，可以得出此技术方案最具有先进性、可靠性的特点。后期在此基础上，通过优化系统配置、设备选型等方面可使得方案更加完善科学。
作者简介：严涛（1984），男，陕西渭南人，大学本科，工程师，主要从事冶金、石化等领域压缩机组电控系统的研发、设计工作。
论文作者:严涛,王小军,王家源,周涛,黄科
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：风机论文; 变频器论文; 电机论文; 装置论文; 软启动论文; 电网论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第26期论文;